王琳娜

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司， 北京 100098)

燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)簡介

王琳娜

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司， 北京 100098)

對目前國內(nèi)燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)進行介紹，分析不同技術(shù)的特點。重點介紹生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)、工藝系統(tǒng)、主要設(shè)備，分析和論述了當(dāng)前生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電現(xiàn)階段問題，并對今后生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要方向進行了展望。

生物質(zhì)；耦合發(fā)電； 氣化

生物質(zhì)是一種可持續(xù)獲得的綠色資源，利用好生物質(zhì)將對我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護環(huán)境，增強企業(yè)經(jīng)濟效益，利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入具有重要意義。但由于生物質(zhì)資源分散，堆密度較小，收集運輸困難，大部分生物質(zhì)未得到妥善使用。目前在我國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨意焚燒秸稈，化肥過量、低效使用，均造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并耗費了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規(guī)模推廣的生物質(zhì)高值化處理技術(shù)。生物質(zhì)耦合發(fā)電是目前最高效、最清潔的利用生物質(zhì)的技術(shù)路線，也是電力“十三五”規(guī)劃重點推薦的技術(shù)路線。

1 主要技術(shù)路線

生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)目前主要有以下三種方式。

(1)生物質(zhì)直接與煤混合后投入鍋爐燃燒，該方式對于燃料處理和燃燒設(shè)備要求較高，存在低溫堿金屬腐蝕，需進行鍋爐燃燒器改造等，不是所有燃煤發(fā)電廠都能采用。

(2)生物質(zhì)燃燒鍋爐直接產(chǎn)生蒸汽，此部分蒸汽可以送入煤粉爐再熱器內(nèi)或送到汽輪機低壓缸內(nèi)的耦合方式，這種耦合方式因為存在相對獨立的生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)，對燃煤鍋爐燃燒不產(chǎn)生影響，但是系統(tǒng)復(fù)雜，投資造價要高；華電十里泉電廠140MW機組采用此方法。

(3)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃氣與煤混合燃燒，該技術(shù)是目前國內(nèi)開展生物質(zhì)耦合發(fā)電的主要應(yīng)用技術(shù)，這種方式需要將生物質(zhì)燃氣總量控制在一定范圍內(nèi)，否則將會對燃煤鍋爐產(chǎn)生影響。國內(nèi)多采用這種方法。

2 技術(shù)特點

2.1 直燃發(fā)電

直燃發(fā)電可以根據(jù)處理規(guī)模靈活調(diào)整，能夠處理規(guī)模較大的項目，生物質(zhì)適應(yīng)范圍較廣，可適用各種生物質(zhì)原料，加工也較為簡單；因生物質(zhì)直燃電廠規(guī)模較小，不適宜配高功率參數(shù)發(fā)電機，綜合發(fā)電效率約為21%～25%。因綜合發(fā)電效率低，燃料消耗較大，發(fā)同樣的電比生物質(zhì)氣化發(fā)電多消耗生物質(zhì)約30%。

2.2 混燃耦合發(fā)電

混燃耦合發(fā)電處理規(guī)模較小，由于混燃后容易結(jié)焦，對鍋爐影響較大，因此國內(nèi)使用范圍很小，與大型燃煤鍋爐結(jié)合利用高參數(shù)鍋爐及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，綜合發(fā)電效率為30%左右。

2.3 生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電

生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電處理規(guī)模較大，在國內(nèi)已經(jīng)有成熟的運行經(jīng)驗，與大型燃煤鍋爐結(jié)合利用高參數(shù)鍋爐及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，綜合發(fā)電效率為32%～37%；燃料消耗相對于直燃發(fā)電消耗較少，采用流化床技術(shù)，理論上原料適應(yīng)性強，只須建立生物質(zhì)氣化爐及其輔助系統(tǒng)，可燃氣直接并入原電廠燃煤鍋爐，氣化爐采用絕熱結(jié)構(gòu)，采用耐磨耐火材料，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)沒有產(chǎn)生新的二次污染，不產(chǎn)生廢氣和廢水的排放。

在國內(nèi)，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電，無論技術(shù)成熟度、投資性價比、處理規(guī)模以及操作運行方面，具有顯著的優(yōu)勢，將成為今后重點發(fā)展的方向。

3 生物質(zhì)氣化技術(shù)

3.1 生物質(zhì)氣化技術(shù)原理

生物質(zhì)是指自然界中所有微生物、動植物以及這些生命體排泄、代謝所產(chǎn)生的有機物質(zhì)[1]。生物質(zhì)作為新能源原料的一種，在自然界中分布極廣。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源尤其豐富，各種生物質(zhì)資源總量在5. 0×109t 左右[2]。此外，相較于煤炭而言，生物質(zhì)加工產(chǎn)物中硫和灰分含量較低，是一種公認(rèn)的清潔燃料[3]。

生物質(zhì)氣化是指在一定條件下，將生物質(zhì)原料中的碳水化合物轉(zhuǎn)化為 H2、CO、CO2、低分子烴類和炭等混合產(chǎn)物的技術(shù)[4]。生物質(zhì)氣化工藝主要包括: 干燥、熱解、氧化和還原。當(dāng)反應(yīng)物料進入反應(yīng)塔之后，在一定溫度下，含有若干水分的物料與熱源進行熱交換，水受熱轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵舛鴵]發(fā);之后干燥的物料、水蒸氣進入熱解區(qū)，在一定溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)。

CHXOy= n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2+n6CH4

(1)

生物質(zhì)氣化主要生成 C、H2、水蒸氣、CO、CO2和甲烷。隨著塔內(nèi)溫度升高，氣化產(chǎn)物與氣化劑相互作用，發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，CO、甲烷氧化為CO2，C 與高溫水蒸氣發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生成CO 和 H2[4]。

3.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)路線

生物質(zhì)經(jīng)過簡單預(yù)處理后，在循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐中完成高效氣化，燃氣經(jīng)過凈化除塵并使溫度降到400℃后，用高溫燃氣輸送風(fēng)機加壓后送入大型燃煤鍋爐與煤進行混燒。

(1)生物質(zhì)原料預(yù)處理系統(tǒng)

循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐以秸稈、稻殼、廢木材、果殼、木屑等為原料，對其進行預(yù)處理后使用。

(2)生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)

在原料儲存?zhèn)}庫，采用螺旋給料機將卸料裝置內(nèi)的物料給到帶式輸送機，帶式輸送機將物料輸送到氣化爐爐前料倉，爐前料倉下設(shè)螺旋給料機，把生物質(zhì)送入氣化爐。

(3)生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)

循環(huán)流化床氣化爐是采用高溫分離循環(huán)流化床、燃用生物質(zhì)秸桿的氣化爐。循環(huán)流化床氣化爐灰能夠?qū)崿F(xiàn)高溫分離，避免進入燃煤鍋爐；由于反應(yīng)溫度在氣化爐內(nèi)分布均勻，因此產(chǎn)生的燃氣成分、熱值和燃氣量非常穩(wěn)定；灰循環(huán)安全易控；運行可靠性高，啟動迅速；氣化爐內(nèi)流態(tài)化的顆粒流動平穩(wěn)，其操作可以實現(xiàn)連續(xù)、自動控制。

生物質(zhì)原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會產(chǎn)生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統(tǒng)；另一部分灰渣則可通過下游旋風(fēng)分離器從可燃氣中分離出來，灰渣從旋風(fēng)分離器底部排出，送到貯存系統(tǒng)?？扇細鈩t從旋風(fēng)分離器的頂部出來，進入下游的余熱鍋爐[5]。

(4)熱濕燃氣降溫輸送系統(tǒng)

經(jīng)過除塵后的高溫燃氣溫度較高，為滿足燃氣加壓風(fēng)機的要求，使用惰性換熱介質(zhì)把燃氣的熱量傳遞給電廠的冷凝水，使燃氣的溫度降到滿足燃氣風(fēng)機的要求，燃氣的熱量不損失，本換熱器置于生物質(zhì)氣化爐的尾部，用于吸收生物質(zhì)氣化爐排出的高溫燃氣中的熱量。降溫后的燃氣經(jīng)煤氣加壓風(fēng)機送入燃煤鍋爐燃燒，由于在以上全部過程中，燃氣始終處于較高溫度，因此沒有焦油析出，不存在焦油凝結(jié)和管道堵塞問題。

4 主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

以10MW機組為例，主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)見表1。

5 燃氣成份監(jiān)測及發(fā)電計量系統(tǒng)

計量系統(tǒng)對于生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的。

表1 主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

目前，在燃氣熱量已準(zhǔn)確測出的情況下有兩種方式進行生物質(zhì)熱能轉(zhuǎn)電能的計算方式[6]：

第一種通過上一年度火電機組的煤耗和當(dāng)期綜合廠用電率來計算：

生物質(zhì)氣化再燃供電量依據(jù)生物質(zhì)氣化濕熱燃氣提供的熱量與該發(fā)電機組上一年度平均供電煤耗計算取得：

式中：

Wgk—統(tǒng)計期內(nèi)生物質(zhì)氣化再燃供電量，kWh；

∑Qd—統(tǒng)計期內(nèi)熱濕燃氣低位供熱量累積值，GJ；

bg—由電廠、電網(wǎng)及政府相關(guān)部門確定的上一年度該發(fā)電機組年平均供電煤耗，g/(kW·h)；

29271—“國際蒸汽表卡”換算的標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，單位kJ/kg。

第二種通過鍋爐效率、管道效率、汽機熱耗進行電能計算：

生物質(zhì)燃氣發(fā)電功率可采用下列模型進行計算：

Nfd=Q×ηb×ηgd/HR

Q=4.1868×Frq×Qnet.rq

式中：

Q—生物質(zhì)燃氣入爐總熱量，由氣化爐實際測量所得，kJ/h

Frq—燃氣消耗量，Nm3/h

Qnet.rq—燃氣發(fā)熱量，kcal/Nm3

ηb—鍋爐效率，%

ηgd—管道效率，取 99%

HR—汽機熱耗，kJ/kWh

6 現(xiàn)階段存在的主要問題

(1)以在煤粉爐內(nèi)燃燒的方式耦合的技術(shù)，當(dāng)耦合率大于5%以上時，就會存在對煤粉爐的影響，需要對煤粉鍋爐進行調(diào)整改造。

(2)國內(nèi)生物質(zhì)(秸稈、谷殼、玉米芯等類)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式影響，造成原材料來源極不穩(wěn)定，這與歐洲農(nóng)場主的方式有很大區(qū)別。電廠收購生物質(zhì)燃料，需要支出的潛藏成本較大。如運輸、搬運、存儲、摻假等等因素。

(3)生物質(zhì)燃料如果不是加工的半成品，在火電廠的存儲也是一個不可忽視的問題，電廠需要較大的防火等特殊要求的場地。

(4)為提高生物質(zhì)原料供給質(zhì)量，方便電廠存儲，國內(nèi)采用破碎造粒后的半成品方式解決出路，但是這就明顯加大了耦合發(fā)電的成本。

(5)按照國外的規(guī)劃，在生物質(zhì)燃料豐富地區(qū)，一般100平方公里的范圍內(nèi)，只能容納一個生物質(zhì)發(fā)電(包括耦合)項目。為此，前期布點與策劃，也是個不可忽視的問題。

(6)生物質(zhì)發(fā)電計量的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、方法等這些國家配套的內(nèi)容，還處于逐漸完善階段。

7 結(jié)論

生物質(zhì)是一種可持續(xù)獲得的綠色資源，利用好生物質(zhì)將對我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護環(huán)境，增強企業(yè)經(jīng)濟效益和利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入具有重要意義。國內(nèi)生物質(zhì)資源分散，堆密度較小，收集運輸困難，大部分生物質(zhì)未得到妥善使用。目前在我國，農(nóng)業(yè)隨意焚燒秸稈，化肥過量、低效使用，均造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并耗費了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規(guī)模推廣的生物質(zhì)高值化處理技術(shù)。與現(xiàn)有的生物質(zhì)直燃電廠發(fā)電項目相比，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)具有電能轉(zhuǎn)換率高、污染物排放低、不新增建設(shè)用地、工藝流程簡潔、設(shè)備投資費用低等優(yōu)勢。

[1] 程備久．生物質(zhì)能學(xué)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2008: 1-10．

[2] 劉廣青，董仁杰，李秀金．生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2009: 7-12．

[3] 李延吉，李愛民，李潤東，等．生物質(zhì)富氧氣化產(chǎn)氣特性的實驗研究與灰色關(guān)聯(lián)分析[J]．可再生能源，2004( 6) : 14-17．

[4] 朱錫鋒．生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M]．合肥: 中國科技大學(xué)出版社，2006．

[5] 倪浩，吳國強．大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方案分析[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(19):27-38.

[6] 生物質(zhì)氣化再燃發(fā)電計量兩種方式介紹[Z].

Co-firingbiomasswithcoaltechnology

Wang Linna

(Datang Environment Industry Group Co., Ltd, Beijing 100098)

this paper briefly introduces the coal-fired biomass power generation technologies currently available domestically, and summarizes the characteristics of different technologies. Biomass gasification coupled power generation technology and its process system, major equipments are introduced in more details while its major problems during the phase of power generation are also briefly analyzed and discussed. An outlook for future biomass gasification technology development is then followed.

biomass; coupled power generation; gasification

X-1

A

2017-08-21; 2017-11-20修回

王琳娜(1988-)，女，碩士，工程師，研究方向：大氣治理脫硫脫硝。E-mail:385967898@qq.com